^*소자(device): 반도체 칩을 구성하는 단위. 손톱만 한 반도체 칩 안에는 최대 수십억 개의 미세소자가 집적돼있다.

^*이트륨 철 가넷 (Yttrium iron garnet, Y3Fe5O12)^*폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 에틸렌(TrFE)를 중합시킨 고분자.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

AI, 자율주행, 사물인터넷 등 급속도로 발전하는 4차산업 분야에서 대용량 정보처리에 대한 기학급수적인 수요 증가로 기존 반도체 정보 소자의 전력 소모량 증가와 처리 속도 한계 등의 문제를 극복할 차세대 메모리 기술 개발이 필요하다.

스핀트로닉스1) 소자는 자화상태 변수를 활용한 비휘발성 특성과 함께 직접도 향상 및 소자 안정성에 있어서 차세대 소자 후보군 중에서 가장 앞선 기술로 평가되고 있다. 현재 일부 상용화된 STT(spin transfer torque)-MRAM2)이나 새롭게 연구되고 있는 SOT(spin orbit torque)-MRAM 소자들은 기본적으로 자성박막층의 자화방향 제어로 정보의 저장, 읽기, 쓰기가 소자 구동의 가장 핵심적인 부분이다. 하지만, 이와 같이 쉽게 제어 가능한 자성 박막층은 열적 안정성을 기대하기가 힘들고 자기모멘트의 복잡한 동력학적 불확실성이 수반하며 무엇보다도 정보 쓰기에 있어서 임계전류 이상의 전류가 필요하기에 대용량 정보처리에 필요한 초저전력 소자 구동 특성을 구현하기가 물리적으로 불가능하다.

본 연구에서는 기존의 자성층 제어에 기반한 스핀트로닉스 소자 개발 연구에서 탈피하여 자성층의 자화 방향을 읽어 들이는 스핀전류와 전하전류의 변환을 제어하는 방식의 새로운 메모리 및 로직 소자 개발의 가능성을 규명하고자 했다. 스핀 전하 변환의 비휘발성 제어를 위해 강유전체를 이용한 페르미 준위 제어와 그에 수반하는 에너지 운동량 산란관계의 반전을 통해서 스핀전류와 전하전류의 변환 방향이 반대로 나타나는 것을 규명했다. 이는 기존의 자성소자가 갖는 전력소모 문제를 해결하고 전압기반, 비휘발성, 전류방향 제어 등의 특성들을 접목하여 초저전력 초고속 읽기/쓰기, 고집적, 메모리 및 연산기능이 가능한 신개념 초저전력 비휘발성 메모리소자 개발의 가능성을 규명한 것이다.

2. 연구내용

본 연구에서는 스핀전류와 전하전류의 상호 변환 효과를 이용했다. 스핀전류와 전하전류의 상호 변환은 일반적으로 강한 스핀궤도 상호작용3)이 있는 물질에서 스핀홀4) 또는 라쉬바5) 효과에 의해 나타나게 된다. 특히, 이종물질의 경계면과 같이 반전대칭성이 깨진 시스템에서는 라쉬바 효과로 인하여 페르미 표면이 전자의 스핀과 운동량이 서로 결부되어 있는 독특한 구조를 갖는다. 이러한 경우 스핀전류로 인한 스핀의 축척이 페르미 표면의 이동을 가져다주어 나타나는 비평형상태로 인하여 전류가 생성되는데 이를 역에델스타인(inverse Edelstein, IEE)6) 효과라고 한다.

이 같은 스핀전류와 전하전류의 상호 변환을 비휘발적으로 제어하기 위해서 강유전체를 이용했다. 전압펄스에 따라 변하는 강유전체의 극성은 그래핀의 페르미 준위7)를 바꾸게 되고 그에 따라 스핀 전하 변환의 반전을 유도하는 방법을 고안하였다.

이와 같은 현상을 소자에 구현하기 위해 자성절연체인 YIG(Yttrium iron garnet, Y3Fe5O12), 강유전체인 PVDF-TrFe(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) 박막, 그래핀을 활용했다. YIG 박막 위에 그래핀을 전사하고 그 위에 강유전층인 PVDF-TrFe 박막을 증착하는 방식으로 그래핀 기반 이종접합 소자를 합성했다.

그림 1(가)는 그래핀 기반의 이종접합 구조를 보여준다. 스핀전하 변환이 일어나는 그래핀층에 스핀전류를 주입하기 위해서 자성절연체인 YIG(Yttrium iron garnet, Y3Fe5O12) 박막을 이용했다. 강자성공명8)으로 YIG에서 그래핀으로 순수한 스핀전류를 주입이 가능하다. 강유전체인 PVDF-TrFE(polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) 박막으로 그래핀 위에서 강유전 극성에 따라 그래핀에서의 페르미 준위가 이동하면서 그래핀에서의 주전하를 전자 및 홀로 제어 할 수 있게 하였다. 주전하가 전자(음전하)에서 홀(양전하)로 변환되면서 그래핀에 주입된 스핀전류의 변환으로 생성되는 전류 방향을 반대 방향으로 제어 가능하게 되는 것이다.

그림1 (다)는 페르미 경계(Fermi-contour)가 그래핀의 주전하의 종류에 따라 ±Δkx 만큼 움직이게 되어 결과적으로 전하 전류가 ±Jx 방향으로 흐르게 되는 역에델스테인 효과를 보여 준다. 페르미 경계의 이동은 강자성 공명 (Ferromagnetic resonance: FMR)으로7) 그래핀에 주입된 한쪽 방향으로 편향된(y축) 스핀각운동량이 스핀-운동량 결합에 의해 특정 운동량 방향에 쌓이게 되면서 일어난다.

그림 2의 (가)는 그래핀 기반의 이종접합구조에서 FET(Field effect transistor)와 FMR-IEE 측정을 위한 구조를 도식화한 것이다. 그림 2의 (나)는 그래핀 기반의 이종접합 구조에서의 FET 특성을 보여준다. 일반적인 그래핀은 하나의 전하중성점(charge neutral poing: CNP)를 갖고, 이를 기준으로 양쪽으로 급격하게 저항이 감소하는 형태의 FET 곡선을 보여준다. 하지만 강유전체의 특성으로 그래핀의 CNP가 양쪽으로 갈라진 형태의 FET 곡선을 나타나며 +전압 펄스와 –전압펼스에 따라 그래핀이 전자 또는 홀로 도핑되는 효과를 가져다준다. 그림 2의 (다), (라)는 FMR-IEE 실험을 통해 +와 -각각의 전압 펄스 이후 스핀전하 변환에 의한 전압 신호(VIEE) 가 반전되어 나타나는 것을 규명하는 실험 결과이다. 양전기장 펄스(+5.93 mV/nm → 0 mV/nm)를 인가하면, PVDF-TrFe의 강유전체 특성으로 의해 그래핀의 주전하가 전자가 되고, VIEE은 아래로 뾰족한 형태의 신호로 나타난다. 다음으로 음전기장 펄스(-5.93 mV/nm → 0 mV/nm)를 인가하면, 그래핀의 주전하가 홀이 되고, VIEE은 위로 뾰족한 형태의 신호로 나타나는 것을 보여준다.

3. 기대효과

기존의 STT-MRAM 또는 SOT-MRAM 소자는 정보 쓰기 및 지우기를 위해 높은 임계전류가 필요했다. 이 때문에 소자 안정성, 에너지소모, 발열등 많은 문제점이 있었다. 이번 연구는 전압기반, 비휘발성, 전류방향 제어 등의 특성들을 접목하여 초저전력 초고속 읽기/쓰기, 고집적, 메모리 및 연산기능이 가능한 프로세스 인 메모리 (PIM) 소자의 기반이 될 신개념 비휘발성 단위소자를 개발의 가능성을 규명했다.

[붙임] 용어설명

1. 스핀트로닉스(spintronics)

기존의 일렉트로닉스에 대비되는 개념. 일렉트로닉스(전자공학)는 전자의 전하를 이용한 기술인 반면, 스핀트로닉스는 전자의 전하와 더불어 스핀의 자유도를 함께 고려해 기존의 전자소자의 한계점을 개선하고자 하는 차세대 전자공학을 말한다.

2.STT-MRAM (spin transfer torque-magnetic random access memory)

스핀 전달 토크 자성 메모리라 불리며 기존의 DRAM, SRAM과 같은 휘발성 메모리와는 달리, 전원 없이도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성 메모리이다. STT-MRAM은 전류를 이용해 자성 터널 접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 구조에서 전자를 스핀 방향으로 조작해 데이터를 저장하거나 불러오며 차세대 메모리 기술로서 이미 상용화됐다.

3.스핀궤도 상호작용 (spin-orbit interaction)

전자의 스핀과 궤도 운동량이 서로 결부되어 나타나는 상호작용으로서 이에 따라 전자스핀과 궤도 운동량이 더 이상 독립적으로 보존되지 않게 된다. 일례로 라쉬바 효과가 있다.

4.스핀홀 효과 (spin Hall effect)

전류가 흐를 때 전자의 스핀에 따라 스핀이 분리돼 금속이나 반도체 내에서 스핀 축이 반대인 전자가 서로 다른 방향으로 이동하는 현상이다. 이로 인해 종축방향의 전하전류에 의해서 횡축 방향으로 스핀전류가 형성되게 된다. 스핀홀 효과는 스핀트로닉스(spintronics) 분야에서 중요한 역할을 하며, 자성 메모리 등의 스핀 기반 소자 개발에 활용된다.

5.라쉬바 효과 (Rashba effect)

재료의 표면이나 계면과 같이 공간 반전 대칭성이 붕괴된 계에서 경계면에 수직으로 작용하는 내부 전기장으로 인하여 나타나는 전자의 스핀과 궤도운동량의 상호작용을 일컫는다.

6.역에델스타인 효과 (Inverse Edelstein effect)

라쉬바 효과로 인하여 전류가 흐를 때 전자의 스핀이 특정 방향으로 정렬되어 스핀 편극이 유도되는 현상을 에델스타인(Edelstein) 효과라고 한다.. 반대로, 역 에델스타인 효과(Inverse Edelstein effect)는 스핀전류가 주입됐을 때 이로 인해 전류가 발생하는 현상이다. 두 효과는 스핀과 전류 간의 상호 변환을 설명하며, 스핀트로닉스 소자에서 활용된다.

7.페르미 준위(Fermi Level)

고체 내의 전자 상태를 나타내기 위해 전자의 존재 확률이 1/2로 되는 에너지 준위를 말한다. 페르미 준위 위치에 따라 그래핀에서 전자 또는 정공으로 주전하가 바뀌며 농도도 달라지게 된다.

8.강자성공명 (Ferromagnetic Resonance, FMR)

강자성체가 매우 큰 정자기장(static magnetic field)과 이에 수직한 마이크로파(microwave) 사이에 위치할 때, 정자기장에 의해 세차운동을 하는 전자스핀의 세차진동수와 마이크로파의 진동수가 서로 일치할 때 발생하는 공명현상.

[붙임] 그림설명